Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Робототехніка



План:


Введення

Рука робота

Робототехніка (від робот і техніка; англ. robotics ) - Прикладна наука, що займається розробкою автоматизованих технічних систем.

Робототехніка спирається на такі дисципліни як електроніка, механіка, програмування. Виділяють будівельну, промислову, побутову, авіаційну і екстремальну (військову, космічну, підводний) робототехніку.


1. Етимологія

Слово "робототехніка" було вперше використано у пресі Айзеком Азімовим в науково-фантастичному оповіданні "Брехун", опублікованому в 1941 р.

"Робототехніка" базується на слові " робот ", придуманому в 1920 р. науковим фантастом і Нобелівським лауреатом Карелом Чапеком для своєї п'єси Р. У. Р.. Однак інтерес до ідей, схожим з робототехнікою, спостерігався ще до введення цього терміна:


2. Компоненти роботів

2.1. Приводи

Нога робота, що працює на повітряних м'язах.

Приводи - це "м'язи" роботів. В даний час найпопулярнішими двигунами в приводах є електричні, але застосовуються й інші, використовують хімічні речовини або стиснене повітря.

  • Двигуни постійного струму : На даний момент більшість роботів використовують електродвигуни, які можуть бути декількох видів.
  • Крокові електродвигуни : Як можна припустити з назви, крокові електродвигуни не обертаються вільно, подібно двигунів постійного струму. Вони повертаються покроково на певний кут під управлінням контролера. Це дозволяє обійтися без датчика положення, так як контролеру точно відомо, на скільки було зроблено поворот. У зв'язку з цим вони часто використовуються в приводах багатьох роботів і верстатах з ЧПУ.
  • Пьезодвігателі : Сучасною альтернативою двигунам постійного струму є пьезодвігателі, також відомі як ультразвукові двигуни. Принцип їх роботи абсолютно відрізняється: крихітні п'єзоелектричні ніжки, вібруючі з частотою більше 1000 разів на секунду, змушують мотор рухатися по колу або прямій. Перевагами подібних двигунів є висока нанометріческое дозвіл, швидкість і потужність, несумірна з їх розмірами. Пьезодвігателі вже доступні на комерційній основі і також застосовуються на деяких роботах.
  • Повітряні м'язи : Повітряні м'язи - просте, але потужний пристрій для забезпечення сили тяги. При накачуванні стисненим повітрям, м'язи здатні скорочуватися до 40% від своєї довжини. Причиною такої поведінки є плетіння, видиме з зовнішнього боку, яке змушує м'язи бути чи довгими і тонкими, або короткими і товстими. Так як спосіб їх роботи схожий з біологічними м'язами, їх можна використовувати для виробництва роботів з м'язами і скелетом, аналогічними м'язам і скелету тварин. [1] [2]
  • Електроактивні полімери : електроактивних полімери - це вид пластмас, який змінює форму у відповідь на електричну стимуляцію. Вони можуть бути сконструйовані таким чином, що можуть гнутися, розтягуватися або скорочуватися. Однак, в даний час немає ЕАП, придатних для виробництва комерційних роботів, так як всі неефективні або неміцні.
  • Еластичні нанотрубки: Це багатообіцяюча експериментальна технологія, яка перебуває на ранній стадії розробки. Відсутність дефектів в нанотрубках дозволяє цьому волокну еластично деформуватися на кілька відсотків. Людський біцепс може бути замінений проводом з такого матеріалу діаметром 8 мм. Такі компактні "м'язи" можуть допомогти роботам в майбутньому обганяти і перестрибувати людини.

3. Способи переміщення

3.1. Колісні та гусеничні роботи

Сегвей в Музеї роботів в Нагоя.

Найбільш поширеними є чотириколісний і гусеничні роботи. Також створюються роботи, що мають інше число коліс - два або одне. Такого роду рішення дозволяють спростити конструкцію робота, а так само надати роботу можливість працювати в просторах, де чотириколісний конструкція виявляється непрацездатна.

Двоколісні роботи, як правило, використовують гіроскоп, для визначення кута нахилу корпусу робота та вироблення керуючого напруги для приводів робота з метою утримати рівновагу і здійснювати необхідні переміщення. Задача утримання рівноваги двоколісного робота пов'язана з динамікою зверненого маятника [3]. На даний момент, розроблено безліч подібних "балансують" пристроїв [4]. До таких пристроїв можна віднести Сегвей, який може бути використаний, як компонент робота; так наприклад Сегвей використаний як транспортна платформа в розробленому НАСА роботі Робонавт [5].

Одноколісні роботи багато в чому є розвиток ідей, пов'язаних з двоколісними роботами. Для переміщення в 2D просторі в якості єдиного колеса може використовуватися куля, що приводиться в обертання декількома приводами. Кілька розробок подібних роботів вже існують. Прикладами можуть служити шаробот розроблений в університеті Карнегі - Меллона, шаробот "BallIP", розроблений в університеті Тохоку Гакуін ( англ. Tohoku Gakuin University ) [6], або шаробот Rezero [7], розроблений в Швейцарської вищої технічної школи. Роботи такого типу мають деякі переваги, пов'язані з їх витягнутої формою, які можуть дозволити їм краще інтегруватися в людське оточення, ніж це можливо для роботів деяких інших типів [8].

Існує деяка кількість прототипів сферичних роботів. Деякі з них для організації переміщення використовують обертання внутрішньої маси [9] [10] [11] [12]. Роботів подібного типу називають англ. spherical orb robots , англ. orb bot [13] і англ. ball bot [14] [15].

Для переміщення по нерівних поверхнях, траві і кам'янистій місцевості розробляються шестиколісний роботи, які мають більше зчеплення, в порівнянні з чотириколісними. Ще більше зчеплення забезпечують гусениці. Багато сучасних бойові роботи, а так само роботи, призначені для переміщення по грубим поверхням розробляються як гусеничні. Разом з тим, утруднено використання подібних роботів в приміщеннях, на гладких покриттях і килимах. Прикладами подібних роботів можуть служити розроблений НАСА робот англ. Urban Robot ("Urbie") [16], розроблені компанією iRobot роботи Warrior і PackBot.


3.2. Крокуючі роботи

Робот- андроїд ASIMO, виробництво Honda.

Переміщення робота з використанням "ніг" являє собою складну задачу динаміки. Вже створено певну кількість роботів переміщаються на двох ногах, але ці роботи поки не можуть досягти такого стійкого руху, яке притаманне людині. Так само, створено безліч механізмів, що переміщаються на більш ніж двох кінцівках. Увага до подібних конструкцій обумовлено тим, що вони легше в проектуванні [17] [18]. Пропонуються також гібридні варіанти (як, наприклад, роботи з фільму "Я, робот", здатні переміщатися на двох кінцівках під час ходьби і на чотирьох кінцівках під час бігу). Роботи, які використовують дві ноги, як правило добре переміщаються по підлозі, а деякі конструкції можуть переміщатися по сходах. Переміщення по пересіченій місцевості є складним завданням для роботів такого типу. Існує ряд технологій дозволяють переміщатися крокуючим роботам:

  • ZMP-технологія: ZMP (англ.) ( англ. Zero Moment Point , "Точка нульового моменту") - алгоритм, що використовується в роботах, подібних ASIMO компанії Хонда. Бортовий комп'ютер управляє роботом таким чином, щоб сума всіх зовнішніх сил, що діють на робота була спрямована в бік поверхні, по якій переміщається робот. Завдяки цьому не створюється крутного моменту, який міг би стати причиною падіння робота [19]. Подібний спосіб руху не характерний для людини, в чому можна переконатися сравнів манеру переміщення робота ASIMO і людини [20] [21] [22].
  • Стрибучі роботи: в 1980-х роках професором Марком Рейбертом ( англ. Marc Raibert з англ. "Leg Laboratory" Массачусетського технологічного інституту розробили робот, здатний зберігати рівновагу за допомогою стрибків, використовуючи тільки одну ногу. Рухи робота нагадують рухи людини на тренажері пого-стік [23]. Згодом алгоритм був розширений на механізми, що використовують дві і чотири ноги. Подібні роботи продемонстрували здібності до бігу і здатність виконувати сальто [24]. Роботи, що переміщують на чотирьох кінцівках, продемонстрували біг, переміщення риссю, алюром, стрибками [25].
  • Адаптивні алгоритми підтримки рівноваги. В основному базуються на розрахунку відхилень миттєвого положення центру мас робота від статично стійкого становища або якоїсь наперед заданої траєкторії його руху. Зокрема, подібну технологію використовує крокуючий робот-носій Big Dog. При русі цей робот підтримує постійним відхилення поточного положення центру мас від точки статичної стійкості, що спричиняє необхідність своєрідної постановки ніг ("коліна всередину" або "тянітолкай"), а також створює проблеми із зупинкою машини на одному місці і відпрацюванням перехідних режимів ходьби. Адаптивний алгоритм підтримки стійкості також може базуватися на збереженні постійного напрямку вектора швидкості центра мас системи, однак подібні методики виявляються ефективними тільки на досить високих швидкостях. Найбільший інтерес для сучасної робототехніки представляє розробка комбінованих методик підтримки стійкості, що поєднують розрахунок кінематичних характеристик системи з високоефективними методами імовірнісного і евристичного аналізу.

3.3. Інші методи переміщення

Два змієподібні робота. Лівий оснащений 64-мя приводами, правий десятьма.
  • Літаючі роботи. Більшість сучасних літаків є літаючими роботами керованими пілотами. Автопілот здатний контролювати політ на всіх стадіях - включаючи зліт і посадку [26]. Також до літаючим роботам ставляться безпілотні літальні апарати (БПЛА). Подібні апарати мають меншу вагу, за рахунок відсутності пілота, і можуть виконувати небезпечні місії. Деякі БПЛА здатні вести вогонь по команді оператора. Так само розробляються БПЛА, здатні вести вогонь автоматично. До БПЛА так само відносяться крилаті ракети. Крім методу руху, використовуваного літаками, що літають роботами використовуються й інші методи руху, наприклад, подібні тим, що використовують пінгвіни, скати, медузи - такий спосіб переміщення використовують роботи Air Penguin [27] [28], Air Ray [29] і Air Jelly [30] компанії Festo.
  • Змієподібні роботи. Існує ряд розробок роботів, що переміщаються подібно зміям. Передбачається, що подібний спосіб переміщення може надати їм можливість переміщатися у вузьких просторах; в тому числі передбачається використовувати подібних роботів для пошуку людей під уламками будівель [31]. Так само, розроблені змієподібні роботи, здатні переміщатися в воді; прикладом подібної конструкції може служити японський робот ACM-R5 [32] [33].
  • Роботи, що переміщаються по вертикальних поверхнях. При проектуванні подібних роботів використовуються різні підходи. Перший підхід - проектування роботів, що переміщаються подібно до людини, що збирається на стіну, вкриту виступами. Прикладом подібної конструкції може служити розроблений в Стенфордському університеті робот Capuchin [34]. Інший підхід - проектування роботів, що переміщаються подібно геконам. Прикладами подібних роботів є Wallbot [35] і Stickybot [36].
  • Плаваючі роботи. Існує багато розробок роботів переміщаються у воді наслідуючи рухам риб. За деякими підрахунками ефективність подібного руху може на 80% перевершувати ефективність руху з використанням гребного гвинта [37]. Крім того, подібні конструкції виробляють менше шуму, а так само відрізняються підвищеною маневреністю. Це є причиною високого інтересу дослідників до роботів, що рухаються подібно рибам [38]. Прикладами подібних роботів є розроблений в Ессекського університеті робот Robotic Fish [39] і робот Tuna розроблений Institute of Field Robotics (Англ.) для дослідження та моделювання способу руху, характерного для тунця. Так само, існують розробки плаваючих роботів інших конструкцій [40]. Прикладами є роботи компанії Festo: Aqua Ray імітує рухи ската і Aqua Jelly, що імітує рух медузи.

4. Системи управління

За типом управління робототехнічні системи поділяються на:

  1. Біотехнічні:
    • командні (кнопкове і важеля управління окремими ланками робота);
    • копіюють (повтор рухи людини, можлива реалізація зворотного зв'язку, що передає додається зусилля, екзоскелети);
    • напівавтоматичні (управління одним командним органом, наприклад, рукояткою всій кінематичної схемою робота);
  2. Автоматичні:
    • програмні (функціонують за заздалегідь заданою програмою, в основному призначені для вирішення одноманітних завдань в незмінних умовах оточення);
    • адаптивні (вирішують типові завдання, але адаптуються під умови функціонування);
    • інтелектуальні (найбільш розвинені автоматичні системи);
  3. Інтерактивні:
    • автоматизовані (можливо чергування автоматичних і біотехнічних режимів);
    • супервизорного (автоматичні системи, в яких людина виконує тільки целеуказательние функції);
    • діалогові (робот бере участь у діалозі з людиною з вибору стратегії поведінки, при цьому як правило робот оснащується експертною системою, здатної прогнозувати результати маніпуляцій і дає поради щодо вибору мети).

У розвитку методів управління роботами величезне значення має розвиток технічної кібернетики та теорії автоматичного управління.


5. Освіта

Робототехнічні комплекси також популярні в галузі освіти як сучасні високотехнологічні дослідні інструменти в області теорії автоматичного управління і мехатроніки. Їх використання в різних навчальних закладах середньої та вищої професійної освіти дозволяє реалізовувати концепцію "навчання на проектах", покладену в основу такої великої спільної освітньої програми США і Європейського союзу, як ILERT. Застосування можливостей робототехнічних комплексів в інженерній освіті дає можливість одночасної відпрацювання професійних навичок відразу по декількох суміжних дисциплін: механіка, теорія управління, схемотехніка, програмування, теорія інформації. Затребуваність комплексних знань сприяє розвитку зв'язків між дослідними колективами. Крім того студенти вже в процесі профільної підготовки стикаються з необхідністю вирішувати реальні практичні завдання.

Існуючі робототехнічні комплекси для навчальних лабораторій:


Примітки

  1. Air Muscles from Image Company - www.imagesco.com/articles/airmuscle/AirMuscleDescription06.html
  2. Air Muscles from Shadow Robot - www.shadowrobot.com / airmuscles / overview.shtml
  3. TOBB - www.mtoussaint.de / tobb / index.html. Mtoussaint.de. Статичний - www.webcitation.org/61BIbhGOa з першоджерела 24 серпня 2011.
  4. nBot, a two wheel balancing robot - geology.heroy.smu.edu / ~ dpa-www/robo/nbot /. Geology.heroy.smu.edu. Статичний - www.webcitation.org/61BIcRYfF з першоджерела 24 серпня 2011.
  5. ROBONAUT Activity Report - robonaut.jsc.nasa.gov/status/Feb_Robonaut_Status_04.htm. NASA (лютий 2004). Статичний - web.archive.org/web/20070820104659/http :/ / robonaut.jsc.nasa.gov/status/Feb_Robonaut_Status_04.htm з першоджерела 20 серпня 2007.
  6. IEEE Spectrum: A Robot That Balances on a Ball - spectrum.ieee.org/automaton/robotics/robotics-software/042910-a-robot-that-balances-on-a-ball. Spectrum.ieee.org. Статичний - www.webcitation.org/61BId2Mpx з першоджерела 24 серпня 2011.
  7. Rezero - Focus Project Ballbot - www.rezero.ethz.ch/. ethz.ch.
  8. Carnegie Mellon (2006-08-09). Carnegie Mellon Researchers Develop New Type of Mobile Robot That Balances and Moves on a Ball Instead of Legs or Wheels - www.cmu.edu/PR/releases06/060809_ballbot.html. Прес-реліз. .
  9. Spherical Robot Can Climb Over Obstacles - www.botjunkie.com/2009/10/15/spherical-robot-can-climb-over-obstacles/. BotJunkie. Статичний - www.webcitation.org/61BIeEphX з першоджерела 24 серпня 2011.
  10. Rotundus - rotundus.se /. Rotundus.se. Статичний - www.webcitation.org/61BIerLAh з першоджерела 24 серпня 2011.
  11. OrbSwarm Gets A Brain - www.botjunkie.com/2008/08/05/orbswarm-gets-a-brain/. BotJunkie (11 липня 2007). Статичний - www.webcitation.org/61BIfjvR1 з першоджерела 24 серпня 2011.
  12. Rolling Orbital Bluetooth Operated Thing - www.botjunkie.com/2009/07/13/rolling-orbital-bluetooth-operated-thing/. BotJunkie. Статичний - www.webcitation.org/61BIgK7S6 з першоджерела 24 серпня 2011.
  13. Swarm - orbswarm.com /. Orbswarm.com. Статичний - www.webcitation.org/61BIgtvAK з першоджерела 24 серпня 2011.
  14. The Ball Bot: Johnnytronic @ Sun - blogs.sun.com / johnnytronic / entry / the_ball_bot. Blogs.sun.com. Статичний - www.webcitation.org/61BLJwN6r з першоджерела 24 серпня 2011.
  15. Senior Design Projects | College of Engineering & Applied Science | University of Colorado at Boulder - engineering.colorado.edu / prospective / Senior_Design.htm. Engineering.colorado.edu (30 квітня 2008). Статичний - www.webcitation.org/61BLKX4Gi з першоджерела 24 серпня 2011.
  16. JPL Robotics: System: Commercial Rovers - www-robotics.jpl.nasa.gov/systems/system.cfm? System = 4 # urbie
  17. Multipod robots easy to construct - www.hexapodrobot.com / index.html
  18. AMRU-5 hexapod robot - mecatron.rma.ac.be/pub/2005/ISMCR05_verlinden.pdf
  19. Achieving Stable Walking - world.honda.com/ASIMO/history/technology2.html. Honda Worldwide. Статичний - www.webcitation.org/61BLLBFDN з першоджерела 24 серпня 2011.
  20. Funny Walk - www.pootergeek.com/2004/12/funny-walk/. Pooter Geek (28 грудня 2004). Статичний - www.webcitation.org/61BLMOux5 з першоджерела 24 серпня 2011.
  21. ASIMO's Pimp Shuffle - popsci.typepad.com/ces2007/2007/01/asimos_pimp_shu.html. Popular Science (9 січня 2007). Статичний - www.webcitation.org/61BLNBPyP з першоджерела 24 серпня 2011.
  22. Vtec Forum: A drunk robot? thread - motegi.vtec.net / forums / one-message? message_id = 131434 & news_item_id = 129834
  23. 3D One-Leg Hopper (1983-1984) - www.ai.mit.edu/projects/leglab/robots/3D_hopper/3D_hopper.html. MIT Leg Laboratory. Статичний - www.webcitation.org/61BLO26CB з першоджерела 24 серпня 2011.
  24. 3D Biped (1989-1995) - www.ai.mit.edu/projects/leglab/robots/3D_biped/3D_biped.html. MIT Leg Laboratory. Статичний - www.webcitation.org/61BLOT01A з першоджерела 24 серпня 2011.
  25. Quadruped (1984-1987) - www.ai.mit.edu / projects / leglab / robots / quadruped / quadruped.html. MIT Leg Laboratory. Статичний - www.webcitation.org/61BLOtHse з першоджерела 24 серпня 2011.
  26. Testing the Limits - www.boeing.com/news/frontiers/archive/2008/feb/i_ca01.pdf. Boeing. Статичний - www.webcitation.org/61BLPJGVa з першоджерела 24 серпня 2011.
  27. Air Penguin - роботи пінгвіни на виставці в Ганновері - techvesti.ru/node/977
  28. Інформація про Air Penguin на сайті компанії Festo - www.festo.com/net/SupportPortal/Downloads/42070/airpenguin_en.pdf
  29. Air-Ray Ballonet, англ. - thefutureofthings.com/pod/1030/air-ray-ballonet.html
  30. Опис AirJelly на сайті компанії Festo, англ. - www.festo.com/cms/de_de/5890.htm
  31. Miller, Gavin Introduction - www.snakerobots.com/. snakerobots.com. Статичний - www.webcitation.org/61BLPkWAT з першоджерела 24 серпня 2011.
  32. ACM-R5 - www-robot.mes.titech.ac.jp/robot/snake/acm-r5/acm-r5_e.html
  33. Swimming snake robot (commentary in Japanese) - video.google.com / videoplay? docid = 139523333240485714
  34. Capuchin - www.youtube.com/watch?v=JzHasc4Vhm8&feature=channel at YouTube
  35. Wallbot - www.youtube.com/watch?v=Tq8Yw19bn7Q&feature=related at YouTube
  36. Stanford University: Stickybot - www.youtube.com/watch?v=k2kZk6riGWU
  37. Sfakiotakis, et al. (1999-04). " Review of Fish Swimming Modes for Aquatic Locomotion - www.ece.eps.hw.ac.uk/Research/oceans/people/Michael_Sfakiotakis/IEEEJOE_99.pdf "(PDF). Перевірено 2007-10-24.
  38. Richard Mason What IS The Market For Robot Fish? - rjmason.com / ramblings / robotFishMarket.html. Статичний - www.webcitation.org/61BLQErBB з першоджерела 24 серпня 2011.
  39. Robotic fish powered by Gumstix PC and PIC - cswww.essex.ac.uk / staff / hhu / HCR-Group.html # Entertainment. Human Centred Robotics Group at Essex University. Статичний - www.webcitation.org/61BLQgbUA з першоджерела 24 серпня 2011.
  40. Witoon Juwarahawong Fish Robot - fibo.kmutt.ac.th / project / eng / current_research / fish.html. Institute of Field Robotics. Статичний - web.archive.org/web/20071104081550/http :/ / fibo.kmutt.ac.th / project / eng / current_research / fish.html з першоджерела 4 листопада 2007.

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Групова робототехніка
Факультет Робототехніка і комплексна автоматизація МГТУ ім. Н. Е. Баумана
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru